IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 12/2004, Seite 30 ff.


SANITÄRTECHNIK


Moderne Wasseraufbereitung

Teil 4: Kühlwasser- und Klimawasseraufbereitung

Jürgen Weißenburger*

Wasser, das zur gewollten Abfuhr von Wärme eingesetzt wird, bezeichnet man als Kühlwasser. Bis zu 70 Prozent des industriellen Wasserbedarfs wird als Kühlwasser genutzt. Entnahmestellen für Kühlwasser sind das Oberflächenwasser von Seen und Flüssen, Brunnenwasser oder Wasserversorgungsanlagen, wie das Trinkwassernetz oder eventuell auch das Brauchwassernetz. Es werden drei Kategorien von Kühlwassersystemen unterschieden: Durchlaufsysteme, geschlossene und offene Kühlsysteme. Der nachfolgende Artikel zeigt auf, wie die einzelnen Kühlprinzipien funktionieren, welche Anforderungen dabei an die Wasserqualität in Kühlkreisläufen gestellt werden und wie diese Anforderungen erfüllt werden können.

Durchlaufkühlung: einfach und kostengünstig

Am einfachsten und kostengünstigsten ist die Durchlaufkühlung, wenn Wasser in ausreichender Menge zur Verfügung steht. Das Kühlwasser wird einem Fluss oder Kanal("Vorfluter") entnommen und fließt nach mechanischer Reinigung durch den Kondensator bzw. Wärmetauscher. Anschließend wird es auf direktem Weg in den Vorfluter zurückgeführt. Dieses Verfahren setzt allerdings voraus, dass der Vorfluter stets genügend Wasser führt und auch an heißen Sommertagen keine unzulässige Erwärmung des Flusses oder Kanals erfolgen kann. Im Normalfall darf die Erwärmung des Flusswassers den Sollwert von 25C nicht überschreiten.

In der Regel liegt bei Durchlaufanlagen die Temperatur des Versorgungswassers allgemein niedrig. Eine schnelle Kühlung bei gleichzeitig kleinen Wärmeübertragungsflächen kann somit ohne größere Schwierigkeiten erreicht werden. Die Durchlaufkühlung bietet sich für viele Anwendungsbereiche an, von kleinen Produktkühlern bis hin zu großen Kraftwerkskondensatoren. Wegen der hohen Anwendungsbreite bietet dieses Verfahren große Vorteile.

Fließschema einer Durchlaufkühlung.

Bei der Durchlaufkühlung wird das eingesetzte Wasser allerdings nur einmal verwendet und dann wieder entsorgt, das heißt in den Vorfluter zurückgeführt. Das Verfahren ist also nur dann wirtschaftlich, wenn keine aufwendige und kostspielige Wasseraufbereitung notwendig ist. Das verwendete Wasser muss also in seiner Zusammensetzung von vornherein bestimmte Voraussetzungen erfüllen.

Wesentlich sind dabei eine geringe Aggressivität und eine geringe Neigung zur Bildung von Ablagerungen auf mineralischer und biologischer Basis. Die Wasseraufbereitung bei der Durchlaufkühlung muss sich auf die Entfernung von Feststoffen beschränken. Dadurch werden grobe Verschmutzungen oder Verstopfungen der Wärmetauscher vermieden. Ein weiterer Aspekt ist die Korrosion. Sie ist in Durchlaufkühlsystemen allgemein niedriger als bei offenen Verdunstungskühlern. Damit kann sie bereits mit niedrigen Konzentrationen von Inhibitoren wirtschaftlich und wirksam bekämpft werden. Die gebräuchlichsten Korrosionsinhibitoren für Durchlaufsysteme basieren auf Polyphosphaten und Silikaten und werden im Allgemeinen miteinander kombiniert. In bestimmten Fällen empfiehlt sich eine stoßweise Behandlung mit Bioziden.

Geschlossene Kühlsysteme: wenig wartungsintensiv

Geschlossene Rückkühlsysteme werden in vielen Industriebereichen verwendet. So kühlen sie Öl von technischen Transformatoren sowie Diesel- und Benzinmotoren und das Kaltwasser von Klimaanlagen in Bürogebäuden. Bei geschlossenen Umlaufkühlsystemen wird das umlaufende Kühlwasser nur unmittelbar rückgekühlt. Es kommt mit Luft nicht direkt in Berührung. Die indirekte Rückkühlung kann über Luft oder über Wasser erfolgen. Erfolgt die Rückkühlung über Wasser, so wird es über einen sekundären Wärmetauscher direkt in einen Rückkühler geleitet. Klassisches Beispiel eines geschlossenen Rückkühlsystems ist die Motorkühlung eines Automobils. Der Motor gibt die erzeugte Wärme an das durch ihn fließende Wasser ab. Das erwärmte Wasser fließt durch einen Wärmetauscher und wird so wieder gekühlt. Bei geschlossenen Umlaufkühlsystemen ist eine mechanische und/oder chemische Kühlwasserbehandlung nötig, da das Wasser mehrfach genutzt wird. Allerdings ist das Füllen des Kühlkreislaufes ein einmaliger Vorgang. Lediglich bei Leckagen ist eine Nachspeisung notwendig. Eine Anlage gilt dann als "geschlossene Anlage", wenn keine offene Verdampfung zur Kühlung benutzt wird und der Wasserverlust weniger als 0,5% der Umwälzrate beträgt. Die Wasserbehandlung solcher Anlagen ist wenig wartungsintensiv. Wenn ein Produkt erst einmal eingespeist ist, verbleibt es in der Regel im System. Aus diesem Grunde spielt hier die Korrosion eine entscheidende Rolle. In dieser Hinsicht unterscheiden sich die verwendeten Wasserbehandlungsprogramme erheblich von denen für Rücklaufkühlsysteme oder offene Systeme. Sie sind in erster Linie korrosionsbezogen und der Schwerpunkt liegt nicht in der Verhinderung von Ablagerungen oder mikrobiologischem Wachstum.

Fließschema einer Umlaufkühlung mit geschlossenem Kühlkreislauf.

Offene Kühlsysteme: weit verbreitet

Weit verbreitet sind offene Kühlsysteme, wie sie in Kühltürmen und Verdunstungskondensatoren eingesetzt werden. Um einen wirtschaftlichen und störungsfreien Kühlturmbetrieb zu ermöglichen und Schäden im Kühlsystem zu vermeiden, müssen bestimmte Anforderungen an die Wasserqualität, die Konstruktion und die eingesetzten Materialien gestellt werden. Auch die Fließgeschwindigkeiten im Wärmetauscher und dessen Konstruktion können Ursache für Ablagerungen aller Art und somit auch für Korrosion sein. Gerade die Materialauswahl für die stark beanspruchten Teile ist für die Langlebigkeit der Anlage wesentlich und hilft, Kosten für die Wasserbehandlung zu sparen. Eine Aufbereitung des Wassers wird durchgeführt, um Steinbildung, Ablagerungen, Korrosion, Fouling und biologisches Wachstum zu verhindern. Das benötigte Kühlwasser wird dem Becken des Kühlturms entnommen, mit den Kühlwasserpumpen durch die Kühlanlagen geführt und im Kühlturm auf die Ausgangstemperatur heruntergekühlt. Durch die Verdunstung und Absalzung treten Wasserverluste auf. Sie werden durch die Nachspeisung von Zusatzwasser ausgeglichen. Die im Wasser gelösten Salze und Trübstoffe können über die Verdunstung eingedickt werden. Dadurch könnten Wärmedurchgang, Werkstoffe und Anlagenteile stark beeinflusst werden. Um das zu verhindern, muss das Zusatzwasser mechanisch und/oder chemisch aufbereitet werden.

Anforderungen an die Wasserqualität in Kühlkreisläufen

Eine professionelle Wasserbehandlung verhindert Korrosion und Ablagerungen. Die spezifischen Wasseranforderungen richten sich an die im System verwendeten Materialien. Für die Beurteilung eines Speisewassers für Kühlzwecke sind folgende Parameter besonders wichtig:

Eisen und Mangan sind besonders dann wichtige Parameter, wenn zur Kühlung kein Trinkwasser zur Verfügung steht. Für die Auslegung der Wasseraufbereitung sollte grundsätzlich eine detaillierte chemische Rohwasseranalyse durchgeführt werden. Damit ist eine Gesamtbeurteilung des zu verwendenden Rohwassers möglich. Die Konzentrationen der Wasserinhaltsstoffe in einem Kühlsystem unterliegen aufgrund der speziellen Bedingungen stetigen Veränderungen. Die Konzentrationsveränderung der Wasserinhaltsstoffe beruht auf der so genannten Eindickung. Während der Abkühlung des Wassers im Kühlturm verdunstet Wasser, wobei die Salze sich im zurückbleibenden Wasser anreichern. Die mögliche Eindickung errechnet sich aus den Wasseranforderungen, das heißt aus den Grenzwerten sowie aus den Wasseranalysedaten des zur Verfügung stehenden Wassers, beziehungsweise der durch die Wasseraufbereitung erreichten Wasserqualität. Auch die Betriebskosten des Kühlsystems werden durch eine mögliche Eindickung erheblich beeinflusst.

Umlaufkühlung mit offenem Kühlkreislauf.

Ein optimaler, wirtschaftlicher Betrieb ist bei einer Eindickungszahl von 3 bis 5 möglich. Eine mögliche Eindickung kann durch die Behandlung des Speisewassers verändert werden. Die Wirtschaftlichkeit der Anlage errechnet sich aus den Kosten für die Wasseraufbereitung abzüglich der Wassereinsparungen. Die Anforderungen an die Wasserqualität von Kühlkreisläufen ist von verschiedenen Faktoren abhängig:

Materialauswahl

Obwohl es heute technisch möglich wäre, Kühlsysteme aus korrosionsfesten Werkstoffen zu bauen, werden gerade in großen Kühlsystemen Bauteile und Rohrleitungen aus nicht korrosionsfesten Materialien verwendet. Häufig werden Kühltürme in verzinktem Stahl, Rohrleitungssysteme in verzinktem oder schwarzem Stahl ausgeführt.

Umkehrosmoseanlage Typ RKF in Modulbauweise von 3000 bis 15.000 l/h Leistung. Einsatzbereich in mittelgroßen Kühlsystemen.

Bei Kühlsystemen, die aus korrosionsfesten Werkstoffen aufgebaut sind, können Wasseraufbereitungsverfahren, wie beispielsweise zum Korrosionsschutz, entfallen. Hier muss die Wasseraufbereitung lediglich Ablagerungen und Verkalkungen verhindern.

Maximale Wandtemperatur der zu kühlenden Objekte

Die maximale Wandtemperatur der zu kühlenden Objekte hat Einfluss auf die Bildung von Ablagerungen. Hinsichtlich der Wasseraufbereitung hat sie hauptsächlich Einfluss auf die Auswahl von Kalksteininhibitoren.

Praxisbeispiel

In der Konzernzentrale eines internationalen IT-Anbieters befindet sich die Zentralrecheneinheit in einer Bunkerlage unterhalb des Bürogebäudes. Um diese Zentralrecheneinheit ständig zu kühlen, wurde eine Kühlanlage mit insgesamt vier Kühltürmen und einer Leistung von je 835 KW installiert (offenes Kühlsystem), die sich auf einem der Parkhäuser befindet. Zur Aufbereitung des Kühlwassers entschied sich das Unternehmen für den Einsatz einer Umkehrosmoseanlage, obwohl die Anschaffungskosten der alternativen Aufbereitungen wie Enthärtung und Dosierung zunächst günstiger schienen. Der Grund: Im Rohwasser liegt ein relativ hoher Sulfatgehalt von ca. 175mg/l vor. Nach der VDI-Richtlinie 3803 sind 325 mg/l im Kreislauf erlaubt. Auf den ersten Blick wäre also eine Eindickungszahl von 1,88 möglich. Ein wirtschaftlicher Betrieb ist jedoch erst ab einer Eindickungszahl von 3,0 gegeben. Das Unternehmen entschied sich aus diesem Grund für den Einsatz einer Umkehrosmoseanlage zur Speisung der Kühlturmanlage. Die Anschaffungskosten waren zwar um 150% teurer als bei anderen vergleichbaren Wasseraufbereitungsanlagen wie Enthärtung oder Dosierung. Die Einsparungspotenziale waren jedoch in diesem Fall überproportional. So amortisierte sich die Anlage bereits nach 1,5 Jahren. Im Vergleich zum Einsatz einer Dosierungsanlage konnten mehr als 20.000m3 Trinkwasser pro Jahr eingespart werden.

Wasseraufbereitungsverfahren für Zusatz- und Kreislaufwasser

Um den Härte- beziehungsweise Salzgehalt des Speisewassers zu verringern, wird neben der rein chemischen Kühlwasseraufbereitung die apparative Aufbereitung eingesetzt. Folgende Verfahren eigenen sich:

Enthärtung

Die Enthärtung des Speisewassers ist ein kostengünstiges Verfahren. Bei der Enthärtung werden Kalzium- und Magnesiumionen gegen Natriumionen getauscht. Das heißt, der Salzgehalt des Speisewassers bleibt unverändert. Für die Aufbereitung des Speisewassers müssen mengenabhängig gesteuerte Doppelanlagen verwendet werden. Im Normalfall liegt der Verschnitt des Speisewassers bei 2 - 3 dH. Wegen der nicht optimalen Schutzschichtausbildung sollte das Kühlwassernetz nicht mit nullgrädigem Reinwasser beaufschlagt werden. Anders verhält es sich, wenn nur korrosionsbeständige Werkstoffe im Kühlkreislauf, einschließlich des Kühlturmes, verwendet werden.

Entkarbonisierung

Bei Speisewässern mit einem hohen Anteil an Karbonathärte (Säurekapazität bis pH 4,3) an der Gesamthärte ist die Entkarbonisierung ein wirtschaftliches Verfahren. Die Kalzium- und Magnesiumionen der Karbonathärte werden gegen Wasserstoffionen ausgetauscht. Somit wird aus Kalziumhydrogencarbonat Kohlensäure gebildet. Die dafür verwendeten schwachsauren Kationenaustauscher werden mit Salzsäure regeneriert. Ein Vorteil im Gegensatz zur Enthärtung ist die Verringerung des Salzgehalts um die Karbonathärte. Bei der Verwendung von entkarbonisierten Wässern in anderen technischen Prozessen ist das Nachschalten eines Rieslers zum Austreiben der freien Kohlensäure erforderlich. Das gilt jedoch nicht für Kühltürme. Denn hier wird die Kohlensäure automatisch durch die Luft ausgetrieben.

Es ist darauf zu achten, dass direkt in die Verrieselung der Kühltürme eingespeist wird. Bei einer Einspeisung ins jeweilige Kühlwassernetz ist mit relativ niedrigen pH-Werten im Kreislauf zu rechnen, die dann eine erhöhte Korrosionsgefahr bilden.

Trotz Wirtschaftlichkeit ist das System mit erheblichen Nachteilen verbunden. Entscheidend dabei ist der erhebliche personelle Aufwand bei Regeneration und Neutralisation der anfallenden Abwässer. Zudem setzt sich immer mehr der Gedanke des Umweltbewusstseins durch: Es wird nicht mehr gerne mit Säure und Lauge gearbeitet.

Salzreduktion des Speisewassers durch Umkehrosmose

Dem Verfahren der Umkehrosmose kommt für die Entsalzung des Wassers immer größere Bedeutung zu. Entscheidend ist bei der Verwendung von Permeat (kohlensäurehaltiges Reinwasser) als Speisewasser für Kühltürme die Entfernung von 90 - 98% aller vorliegenden Mineralsalze aus dem aufzubereitenden Rohwasser (Trink- oder Brunnenwasser). Langjährige Erfahrungen zeigen: Die Umkehrosmose ist wirtschaftlich und umweltfreundlich zugleich.

Das erzeugte Permeat weist in der Regel nach der Umkehrosmoseanlage einen sauren pH-Wert zwischen 5,5 und 6,5 auf. Für die weiterführenden Reinwasserleitungssysteme müssen korrosionsbeständige Materialien wie PVC, PP oder Edelstahl verwendet werden. Der niedrige pH-Wert entsteht dadurch, dass das im Rohwasser enthaltene CO2 vollständig die Membranen passiert. Die CO2-Entgasung erfolgt dann im jeweiligen Rückkühlsystem bzw. Luftwäscher.

Vollentsalzung des Speisewassers über Ionenaustauscher

Die Vollentsalzung des Speisewassers wird nur in Ausnahmefällen eingesetzt, da das Verfahren über Ionenaustauscher für den Kühlwassereinsatz nicht wirtschaftlich ist.

Teilstromfiltration des Kreislaufwassers

Sie ermöglicht die Ausschleusung von Feststoffen, das heißt von Schmutzpartikeln, die aus der Luft ausgewaschen bzw. eingetragen wurden. Eine Teilstromfiltration von 5 bis 10 Prozent der Umwälzleistung über Kiesfilter reicht in den meisten Fällen aus. Ab einer fünffachen Eindickung sollte auf jeden Fall ein Teilstromfilter eingesetzt werden. Diese Filter arbeiten meist in einem eigenen Kreislaufsystem und werden differenzdruck- oder zeitgesteuert rückgespült.

Die Biocidbehandlung

Das mikrobiologische Wachstum von Bakterien, Algen oder Pilzen führt in Kühlwassersystemen vielfach zu erheblichen Störungen im Betriebsablauf. Es kann zu Hemmungen des Wärmeübergangs in Wärmetauschern durch Ablagerungen von Biomasse kommen. Aber auch Korrosionsprozesse können gefördert werden. Regelorgane und Messzellen verstopfen somit und können ihre Aufgabe nicht mehr wahrnehmen.

Mit Hilfe von Biociden wird das Wachstum von Keimen gehemmt und vorhandene Mikroorganismen abgetötet.

Die Dosiermenge ergibt sich aus der Nachspeisewassermenge der Eindickungszahl, der Jahreszeiten, den örtlichen Gegebenheiten sowie der geforderten Biocid-Konzentration im Kühlkreislauf. Die Steuerung der Biocidzugabe wird sich also an den Wachstumsbedingungen für Mikroorganismen orientieren. Bei starkem biologischem Wachstum beginnen die Kühltürme häufig zu "schäumen". Eine wirksame Kontrolle der Biologie im Kühlturm ist daher Voraussetzung für einen störungsfreien Betrieb.

Korrosions- und Steinschutzdosierung

Einfache Wasseraufbereitungssysteme verwenden neben einer Biocidbehandlung und einer Absalzung auch eine Korrosions- und Steinschutzdosierung. Bei salz- und härtearmen Wässern kann auf Steinschutz verzichtet werden. Die Dosierung richtet sich nach den verwendeten Materialien, der thermischen Beanspruchung (Wandtemperatur) und der Wasserzusammensetzung. Generell setzt man für die Korrosions- und Steinschutzdosierung Kombinationsprodukte ein.

Zur Stabilisierung der Härtebildner eines Wassers werden bei thermisch hoch belasteten Systemen folgende Stoffe eingesetzt:

Als Korrosionsinhibitoren, die die Korrosionsgeschwindigkeit in offenen Systemen verringern sollen, werden sowohl anionische Inhibitoren (Molybat, Nitrit, Benzoat, Chromat, Phosphat, Phosphonat etc.) als auch kathodische Inhibitoren wie Chrom, Mangan, Zink oder Nickel eingesetzt. Zu den Inhibitoren gehören auch organische Inhibitoren, bestehend aus Tanninderivaten und Zinksulfat, sowie Phosphonsäuren und Kupfer-Inhibitoren.

Dispergierung

Die Dispergierung in Kühlwassersystemen findet durch organische, oberflächenaktive Stoffe statt. Ein Dispergator verhindert, dass sich mineralische Feststoffe in einem wässrigen System ablagern können. Er bindet diese Trübstoffe und hält sie in Schwebe. Als sekundärer Korrosionsinhibitor verhindert er zudem weitgehend die Ablagerungen an den Wandflächen. Als Dispergatoren gelten Plycarbonsäuren, Polyacrylate und Polyacrylamide.

Absalzautomatik

Zu einem störungsfreien Kühlturmbetrieb gehört unbedingt eine regelmäßig überwachte und gewartete Absalzautomatik. Über eine Kontrolle des Leitwertes wird der Salzgehalt des Kreislaufwassers annähernd konstant gehalten. Hat der Leitwert den oberen Sollwert überschritten, wird Kreislaufwasser abgelassen und durch aufbereitetes Wasser ergänzt.

 

Internetinformationen:
www.gruenbeck.de


*) Jürgen Weißenburger, Grünbeck Wasseraufbereitung GmbH, Industriestraße 1, 89420 Höchstädt/Donau.


B i l d e r :   Grünbeck Wasseraufbereitungs GmbH, Höchstadt/Donau.


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